Mindent a LED-ekről
LED azaz Light Emitted Diode (fénykibocsájtó dióda)
A LED az NP átmeneten áthaladó elektromos áram hatására inkoherens, szűk spektrumú fényt bocsájt ki. Ez az effekt az ELektroluminancia. A LED gyakorlatban egy kis méretű elektronikai alkatrész mely egy chipből és egy optikából áll.
A kibocsájtott fény színe az alkatész alapanyaga és minőségétől függ lehet infravörös és ultraviola is.
A LED felfedezése és története
1900-as évek elején Henry Round, a Marconi Labs szakembere fedezte fel az ELektroluminancia jelenségét.
1920-as év közepén az orosz Oleg Vladimirovich Lossew független kutató készítette el az első LED-et. Kutatásai eredményét közölték német, orosz és angol szaklapokban, de munkásságát az akkori tudományos világ nem ismerte fel, mivel a kibocsájtott fény intenzitása igen csekély volt.
1955-ben Rubin Braunstein, az amerikai rádiózási vállaltnál készítette el az első kisérleti infravörös tartományban sugárzó LED diódát, aminek az alapanyaga gallium arzenid (GaAs) volt.
1961 ben az amerikai Texas Instruments vállaltnál, Bob Biard és Gary Pittman, tovább kísérletezett, gallium arzenit alapú infravörös (láthatatlan) tartományban fényt sugárzó diódákkal. Biard és Pittman felismerték munkájuk fontosságát, és szabadalmaztatták az infravörös LED-et.
1962 ben Nick Holonyak Jr. a General Electric Company szakembere kifejlesztette az első, látható tartományban sugárzó LED-et.
1972-ben. Holonyak korábbi tanítványa Dr. M. George Craford megalkotta az első gyakorlatban is használható sárga LED-et. Nem sokkal később a sárgánál 10 x fényesebb vörös és vörös-narancs LED-eket is piacra dobták.
1971 ben jelentett Nagy áttörést a kék LED felfedezése, amely első verzióban Jacques Pankove az RCA Laboratories szakembere nevéhez fűződik.
1993-ban A kék LED megdöbbentően nagy fényerő növekedést ért el Shuji Nakamura a Nichia Corporation kutatója munkásságának köszönhetően. Ettől kezdve napjainkig több nagyvállalat tökéletesített technikával gyárt LED chipeket, de az alapelvek 1993 óta nem változtak.
1999-ben a Philips Lumileds legyártotta az első folyamatos üzemű 1 wattos LED-et. Ez a LED mérete szerint sokkal nagyobb lett, mint hagyományos társai. Ezek a LED-ek már csak hűtőbordára szerelve használhatóak, és ezzel kezdetét vette a LED-ek világítási célú felhasználása.
LED működése
Akár egy normál diódánál a LED tartalmaz egy félvezető chipet, amin P-N átmenet van kialakítva. A töltés áramlás csak az egyik irányban lehetséges az elektronok és lyukak között. A tiltott sáv szélessége határozza meg a folyamat fenntartásához szükséges feszültség nagyságát. Amikor egy elektron átugorja a rést, érkezésekor egy másik elektront magasabb energiájú pályára állít. Ez energia bevitellel jár, amit az atom egy foton kibocsájtásával sugároz le. A hullámhossz, így a kibocsájtott fény színe a becsapódási energiától, azaz a tiltott sáv méretétől függ.
Hogy azok is megértsék akik nem járatosak a fizikában...
Képzeljünk el egy patakpartot. Az egyik oldalon méter magas kőgát van, a másik oldalon vízszintben finom homok. Átugrunk a betonról a homokos partra. (Ugye a homokos partról nem könnyű visszaugrani a gátra...) Miközben megérkezünk, felverjük a homokot.
Ebben a képletben a gát a N réteg a homok a P, a patak a tiltott sáv, mi vagyunk az elektron, és a felvert homok a fény. Így talán már érthető, hogy a becsapódásunkkor keletkező porban a homok szemcsék sebessége a mi sebességünktől függ.
A fehér LED
A fehér fény előállítására az iparban 2 megoldást használnak.
Az első változat, ami a Philips Lumileds szabványára épül, egy nagy fényerejű UV Led elé Ce3+:YAG foszforeszkáló lapkát helyeznek el. Ennél a megoldásnál az UV fény gerjeszti a lapkát és így az fehér fénnyel ragyog. Ez a módszer kevésbé sávos fényt generál, azaz jobb színvisszaadású, viszont igen sok fényveszteséggel jár, illetve a lapka előállítása is költséges.
A másik megoldás melyet elsőként a Nichia alkalmazott 1996-ban azon alapszik, hogy a kék fényű LED-et komplementer színű sárga (zöld-vörös) tartományban sugárzó foszfor réteggel vonják be. Ezzel a módszerrel sokkal jobb a fényhasznosítást lehet elérni, viszont a gyártási körülmények minimális megváltozása is jelentős színváltozás okoz. A problémák kiküszöbölése érdekében a gyártók szín szerint osztályozzák és kódokkal látják el a termékeiket.
A Cree Inc. újabban a foszfor réteget közvetlenül a LED chip alapanyagába építi be. Ezzel a módszerrel már 3x fényesebb fehér LED-et állítanak elő.
LED hatékonysága és veszteségei
A LED-ek hatásfoka nagyban függ a gyártási minőségtől, és a felhasznált alapanyagoktól. Mivel speciálisan magas követelményeket igénylő chipgyártásról van szó, jelenleg a világon csak 4 - 5 cég képes nagyteljesítményű LED chip-et gyártani.
A technológia finomításával és a gyártási minőség javításával a hatásfok maximalizálható. A elméleti maximum óvatos becslések szerint is 70% felett van.
Néhány veszteségforrás
A LED alapjául szolgáló anyag optikai tisztasága kulcsfontosságú szempont. Magától értetődő, hogy az optikailag tiszta anyag kevesebb fényt nyel el. Fontos továbbá a LED chip alakja A chip belsejében keletkező fény csak akkor tud maradéktalanul kilépni, ha a felület teljesen sík. akár pár tízezred miliméteres eltérés az optikailag megfelelő síktól 10-20% százalékos fényveszteséget jelenthet. A LED gyártásánál nagy hangsúlyt kap a tokozás minősége. A jó tok a keletkező hőt elvezeti, viszont a fénynek szabad utat ad.
A LED-ek hatékonyságának felméréséhez íme néhány adat.
A kulcs, amiben a LED-ek hatékonyságát mérjük az a szám, mely megmutatja, hogy az adott led hány lumen fényt generál 1 watt energia betáplálásával.
2002-ben, Lumiled által gyártott 5-wattos LED 18–22 lumen fényt bocsájtott ki wattontként. összehasonlításként az egyszerű 60-100 wattos izzó 15 lumen fényt generál wattonként.
2003 szeptemberében a Cree, Inc. bemutatta a 240 lm/W fényerejű kék LED-jét.
2006-ban szintén Cree Inc. bemutatta a fehér 131 lm/W LED prototipusát.
2007-ben a Seoul Semiconductor 135 lm/W-al világít és 145 lm/W szeretne elérni 2008-ra.
Nichia Corp. megcélozta a 150 lm/W fényerőt.
A LED-ek jövője
Legújabb kísérletekben a fehér fény előállításához nem foszfor alapanyaokat használnak. Az új módszer szerint Cink-Szelén subsztáttal előállított sárgához keverik a kék LED fényét. Gyakorlatilag ez egy chipben integrált kék és sárga LED-et jelnethet. Ennek a technológiáknak megvalósításával ismét nagyot léphet előre a fehér LED.
A LED az NP átmeneten áthaladó elektromos áram hatására inkoherens, szűk spektrumú fényt bocsájt ki. Ez az effekt az ELektroluminancia. A LED gyakorlatban egy kis méretű elektronikai alkatrész mely egy chipből és egy optikából áll.
A kibocsájtott fény színe az alkatész alapanyaga és minőségétől függ lehet infravörös és ultraviola is.
A LED felfedezése és története
1900-as évek elején Henry Round, a Marconi Labs szakembere fedezte fel az ELektroluminancia jelenségét.
1920-as év közepén az orosz Oleg Vladimirovich Lossew független kutató készítette el az első LED-et. Kutatásai eredményét közölték német, orosz és angol szaklapokban, de munkásságát az akkori tudományos világ nem ismerte fel, mivel a kibocsájtott fény intenzitása igen csekély volt.
1955-ben Rubin Braunstein, az amerikai rádiózási vállaltnál készítette el az első kisérleti infravörös tartományban sugárzó LED diódát, aminek az alapanyaga gallium arzenid (GaAs) volt.
1961 ben az amerikai Texas Instruments vállaltnál, Bob Biard és Gary Pittman, tovább kísérletezett, gallium arzenit alapú infravörös (láthatatlan) tartományban fényt sugárzó diódákkal. Biard és Pittman felismerték munkájuk fontosságát, és szabadalmaztatták az infravörös LED-et.
1962 ben Nick Holonyak Jr. a General Electric Company szakembere kifejlesztette az első, látható tartományban sugárzó LED-et.
1972-ben. Holonyak korábbi tanítványa Dr. M. George Craford megalkotta az első gyakorlatban is használható sárga LED-et. Nem sokkal később a sárgánál 10 x fényesebb vörös és vörös-narancs LED-eket is piacra dobták.
1971 ben jelentett Nagy áttörést a kék LED felfedezése, amely első verzióban Jacques Pankove az RCA Laboratories szakembere nevéhez fűződik.
1993-ban A kék LED megdöbbentően nagy fényerő növekedést ért el Shuji Nakamura a Nichia Corporation kutatója munkásságának köszönhetően. Ettől kezdve napjainkig több nagyvállalat tökéletesített technikával gyárt LED chipeket, de az alapelvek 1993 óta nem változtak.
1999-ben a Philips Lumileds legyártotta az első folyamatos üzemű 1 wattos LED-et. Ez a LED mérete szerint sokkal nagyobb lett, mint hagyományos társai. Ezek a LED-ek már csak hűtőbordára szerelve használhatóak, és ezzel kezdetét vette a LED-ek világítási célú felhasználása.
LED működése
Akár egy normál diódánál a LED tartalmaz egy félvezető chipet, amin P-N átmenet van kialakítva. A töltés áramlás csak az egyik irányban lehetséges az elektronok és lyukak között. A tiltott sáv szélessége határozza meg a folyamat fenntartásához szükséges feszültség nagyságát. Amikor egy elektron átugorja a rést, érkezésekor egy másik elektront magasabb energiájú pályára állít. Ez energia bevitellel jár, amit az atom egy foton kibocsájtásával sugároz le. A hullámhossz, így a kibocsájtott fény színe a becsapódási energiától, azaz a tiltott sáv méretétől függ.
Hogy azok is megértsék akik nem járatosak a fizikában...
Képzeljünk el egy patakpartot. Az egyik oldalon méter magas kőgát van, a másik oldalon vízszintben finom homok. Átugrunk a betonról a homokos partra. (Ugye a homokos partról nem könnyű visszaugrani a gátra...) Miközben megérkezünk, felverjük a homokot.
Ebben a képletben a gát a N réteg a homok a P, a patak a tiltott sáv, mi vagyunk az elektron, és a felvert homok a fény. Így talán már érthető, hogy a becsapódásunkkor keletkező porban a homok szemcsék sebessége a mi sebességünktől függ.
A fehér LED
A fehér fény előállítására az iparban 2 megoldást használnak.
Az első változat, ami a Philips Lumileds szabványára épül, egy nagy fényerejű UV Led elé Ce3+:YAG foszforeszkáló lapkát helyeznek el. Ennél a megoldásnál az UV fény gerjeszti a lapkát és így az fehér fénnyel ragyog. Ez a módszer kevésbé sávos fényt generál, azaz jobb színvisszaadású, viszont igen sok fényveszteséggel jár, illetve a lapka előállítása is költséges.
A másik megoldás melyet elsőként a Nichia alkalmazott 1996-ban azon alapszik, hogy a kék fényű LED-et komplementer színű sárga (zöld-vörös) tartományban sugárzó foszfor réteggel vonják be. Ezzel a módszerrel sokkal jobb a fényhasznosítást lehet elérni, viszont a gyártási körülmények minimális megváltozása is jelentős színváltozás okoz. A problémák kiküszöbölése érdekében a gyártók szín szerint osztályozzák és kódokkal látják el a termékeiket.
A Cree Inc. újabban a foszfor réteget közvetlenül a LED chip alapanyagába építi be. Ezzel a módszerrel már 3x fényesebb fehér LED-et állítanak elő.
LED hatékonysága és veszteségei
A LED-ek hatásfoka nagyban függ a gyártási minőségtől, és a felhasznált alapanyagoktól. Mivel speciálisan magas követelményeket igénylő chipgyártásról van szó, jelenleg a világon csak 4 - 5 cég képes nagyteljesítményű LED chip-et gyártani.
A technológia finomításával és a gyártási minőség javításával a hatásfok maximalizálható. A elméleti maximum óvatos becslések szerint is 70% felett van.
Néhány veszteségforrás
A LED alapjául szolgáló anyag optikai tisztasága kulcsfontosságú szempont. Magától értetődő, hogy az optikailag tiszta anyag kevesebb fényt nyel el. Fontos továbbá a LED chip alakja A chip belsejében keletkező fény csak akkor tud maradéktalanul kilépni, ha a felület teljesen sík. akár pár tízezred miliméteres eltérés az optikailag megfelelő síktól 10-20% százalékos fényveszteséget jelenthet. A LED gyártásánál nagy hangsúlyt kap a tokozás minősége. A jó tok a keletkező hőt elvezeti, viszont a fénynek szabad utat ad.
A LED-ek hatékonyságának felméréséhez íme néhány adat.
A kulcs, amiben a LED-ek hatékonyságát mérjük az a szám, mely megmutatja, hogy az adott led hány lumen fényt generál 1 watt energia betáplálásával.
2002-ben, Lumiled által gyártott 5-wattos LED 18–22 lumen fényt bocsájtott ki wattontként. összehasonlításként az egyszerű 60-100 wattos izzó 15 lumen fényt generál wattonként.
2003 szeptemberében a Cree, Inc. bemutatta a 240 lm/W fényerejű kék LED-jét.
2006-ban szintén Cree Inc. bemutatta a fehér 131 lm/W LED prototipusát.
2007-ben a Seoul Semiconductor 135 lm/W-al világít és 145 lm/W szeretne elérni 2008-ra.
Nichia Corp. megcélozta a 150 lm/W fényerőt.
A LED-ek jövője
Legújabb kísérletekben a fehér fény előállításához nem foszfor alapanyaokat használnak. Az új módszer szerint Cink-Szelén subsztáttal előállított sárgához keverik a kék LED fényét. Gyakorlatilag ez egy chipben integrált kék és sárga LED-et jelnethet. Ennek a technológiáknak megvalósításával ismét nagyot léphet előre a fehér LED.